【摘 要】
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下一代新型处理器,即类脑计算芯片,需要像人类大脑一样具备高并行处理能力、高容错率和高存储密度的能力,以满足人工智能的发展需求。采用新材料、新器件模拟神经突触、神经
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下一代新型处理器,即类脑计算芯片,需要像人类大脑一样具备高并行处理能力、高容错率和高存储密度的能力,以满足人工智能的发展需求。采用新材料、新器件模拟神经突触、神经元的功能是自下而上的、根本的途径。有鉴于此,本文提出采用同质异质结氧化铪双层结构,构造了与突触结构相似的忆阻器,研究了界面耦合对导电通道形成与发展的影响,探索了它们的忆阻行为,取得如下主要成果:首先,我们制备了W/Hf Oy/Hf Ox/Pt（xO）沿双层结构的分布为驼峰形分布,和生物突触的Ca2+分布非常相似。持续电刺激提高电导（即突触权重）的过程中,氧化铪出现正交向单斜的转变,并且双层间单斜晶粒会逐步取向一致。器件处于高阻态时,氧化铪晶粒取向则杂乱无章。因此,电导增加的过程是一种VO在晶界和双层间迁移时应力变化诱导的自适应相变和晶粒取向趋于一致的过程,该过程与突触Ca2+门控蛋白的开闭相似,使得我们的器件在微结构、微观离子运输动力学、由输出响应得到的突触可塑性和单位脉冲的能耗这四个方面与真实生物突触相似。该器件是一类极具潜力的、可行的神经形态计算基元。其次,我们不仅获得了操作电压低（约0.28V）、转变斜率最佳（约0.6m V/dec）、工作电流范围广（1n A至300μA）的Ag/Hf Oy/Hf Ox/Pt单向阈值转变忆阻器件,发现了应力激发的晶粒转动会干扰Ag导电细丝的连接强度,构建了同质双层界面处自适应晶粒转动与Ag导电细丝演变行为作用的耦合模型,为阈值转变导电机理作了微结构变化的补充,并实现了基于该器件的逻辑门纳电子电路功能。而且,我们还得到了另一种无需电初始化过程的Ag/Hf Oy/Hf Ox/Ag渐变式阈值转变器件,模拟了短时程突触可塑性,初步分析了双层氧化铪中Ag离子短程迁移、氧化铪微观相变与突触微观动力学之间的相似性。
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